复杂地质盾构长距离下穿城市快速路隧道施工关键技术研究——以杭州至富阳城际铁路SGHF-11标为例

陈亮

（中铁十六局集团有限公司，北京 100018）

0 引言

新建地铁隧道下穿既有隧道的工程时有出现。新建隧道的工程施工会改变周围土体状态，引发一定范围内的地基变化，使得既有隧道的结构承受一定的附加应力，甚至对既有隧道的运营和后期维护产生危害[1-4]。目前，有学者针对地铁隧道邻近施工问题开展研究。刘颖彬等[5]对双圆隧道在前后两次盾构下穿过程中的变形进行实测分析，并总结其变形特征与变化规律；朱红霞[6]研究了在未进行加固的承压水细粉细砂层中，近距离下穿既有隧道的施工和量测技术；杨春山等[7]采用有限元法模拟了近距离下穿盾构隧道的施工，得出了既有隧道在新建隧道动态掘进时的位移变化规律。

综上，现有研究集中在采用数值模拟分析或监测手段来研究新建隧道对既有隧道周围土体及自身结构的主要影响区域和大小，而对诸如盾构进出口加固、分体始发、掘进换刀及“上软下硬”的复杂地质条件对工程的不利影响等关键技术研究尚未完善。本文依托杭州至富阳城际铁路SGHF-11标，对复杂地质下盾构长距离下穿隧道的施工关键技术进行研究，分析工程技术难点，并结合现有工程经验和实际工程条件，提出相应可行的应对措施。

1 工程特点

1.1 工程概况

SGHF-11标施工内容包含受降站-高桥站区间风井、受降站～受-高区间风井盾构区间、高桥站-汽车北站区间盾构井、高-汽区间盾构井～汽车北站盾构区间的施工。地理位置示意见图1、图2。

图1 受-高区间风井平面示意图

图2 受-高区间风井区间地理位置示意图

1.2 两隧道相对位置关系

6号隧道位于杭富线盾构区间隧道正上方（见图2、图3），地铁盾构隧道于里程K16+479处进入6号隧道下方。

图3 地铁盾构隧道与6号隧道相对位置示意图

1.3 工程地质条件复杂

受降站-高桥站区间土层从上向下依次为耕土及素填土、粉质黏土、全风化粉砂岩、强风化粉砂岩、中等风化粉砂岩，地质条件复杂，压缩模量从上向下大致趋势为上升，泊松比大致趋势为下降，且底层中等风化粉砂岩的天然单轴抗压强度（标准值）高达30.20MPa，呈现“上软下硬”的地质特点（见表1），施工难度高，风险大。该区间承压水主要分布于中下部的⑨4圆砾中，含水层总厚度较大。

表1 受-高区间各土层参数对比表

2 复杂地层盾构长距离下穿城市快速路隧道施工关键技术

2.1 盾构进出洞加固

2.1.1 重难点分析

在洞门凿除和盾构机进出洞（见图4）时，洞口周围土体可能会伴随地下水通过洞口涌入工作井，导致水土流失和地面沉陷，同时造成盾构进洞姿态突变、盾构出洞段轴线偏离等不良现象。因此，盾构进出洞加固是本标段的第一个重难点。

图4 盾构进出洞示意图

2.1.2 应对措施

1）将水平注浆加固工艺调整为竖向加固施工工艺，若设计不调整，须严格按设计要求完成进出段端头加固，端头井采用素桩+降水井+袖阀管注浆加固。

2）加固完成后检验加固效果，存在问题及时处理，以保证洞门加固体质量和完整性。做好洞门止水装置，当盾构进出洞过程中出现漏水漏砂时，通过向洞门周圈预埋的应急注浆孔或盾构机的径向注浆孔中灌注浆进行堵漏。

3）盾构机头部靠上洞门后，盾构机前部基本位于加固体内，从盾尾1至2环管片的注浆孔向外层的土层中注入双液浆，形成第一道环箍挡水。

4）洞门槽壁凿除，在洞门钢圈上焊接双层弹簧钢板，在洞门钢圈外侧安装进洞装置。

5）在洞圈上焊接一道特质盾尾刷，并嵌优质盾尾油脂，进一步加强盾构进洞的安全性。

2.2 盾构分体始发

2.2.1 重难点分析

采用分体始发时，盾构整套设备应分阶段下井，各阶段下井对象、下井顺序、掘进工艺以及放置地面的设备如何在狭窄的始发场地空间内合理布置，将影响盾构设备的有效始发[8]，因此，盾构的现场分体始发是本标段的第二个重难点。

2.2.2 应对措施

1）盾体和连接桥先行下井组装，其余台车放置在地面上，通过管路与井下连接，待盾构进洞满足后续台车下井的长度后，再一次性将地面上的台车吊装下井。待盾构进洞长度满足要求（约90m）后，再将后配套连接上。

2）盾构始发期间负环管片只拼装下部大三块，上部采取支撑形式让出吊装口。

2.3 盾构掘进换刀

2.3.1 重难点分析

本标段受-高盾构区间具有区间线路长、工程地质复杂、室内饱和单轴抗压强度高等特点。随着施工进度的推进，刀具逐渐磨耗、破损。对刀具进行正确配置、及时更换才能使盾构高效地掘进，因此，在上述地层中掘进换刀是本工程的第三个重难点。

2.3.2 应对措施

1）施工前编制开仓换刀专项施工方案，根据区间地质及周边环境情况，确定开仓检查及更换刀具里程，必要时进行预处理。

2）盾构机始发前更换全部磨损刀具，与盾构刀具生产厂家就穿越地质及盾构机性能参数，优化盾构刀具性能，提高刀具工效，减少刀具更换次数。

3）合理设置盾构施工各项推进参数，有效降低刀具磨损，减少换刀次数。

4）施工过程中加强监测频率，24小时现场进行监测。对每日的监测数据进行评估，及时判断换刀是否安全。

2.4 盾构掘进对周边环境的影响

2.4.1 重难点分析

盾构段线路出受降站后向西，沿320国道敷设到达区间风井。沿线依次下穿320国道，斜交、平行下穿快速路隧道，正面穿越快速路隧道围护桩，下穿北渠，下穿杭富线出入段线。320国道地面交通繁忙，地下管线密布，因此，故盾构掘进对环境的影响应重视和处理。

2.4.2 应对措施

1）施工前，制定不良地质的预处理方案和穿越施工专项方案，并严格按照方案施工，在盾构机到达前建立试验段，对推进参数进行相应优化，穿越前对盾构机操作手进行详细技术交底。

2）盾构机到达前，对盾构机及后配套设备进行检修，保证设备性能良好，避免故障停机，确保平稳、安全穿越。

3）详细分析盾构段平纵断面图，结合地质补勘成果，了解前方遭遇地质的相关资料。

4）密切关注各项推进参数，必要时穿越前进行刀具检查、更换，避免穿越时因刀具磨损停机。

5）加强地面监测，建立完善的监测网，及时反馈信息，必要时进行跟踪注浆或二次补充注浆，保证地面建（构）筑物的结构安全。

2.5 盾构施工工期控制

2.5.1 重难点分析

现场结构尺寸有限，电瓶车无法正常编组，在结构内设置两组电瓶车，1#为牵引车+浆液车+管片车，2#为牵引车+2台渣土车，此方案需盾构掘进足够长度（按照此编组方案约30m），满足道岔安装条件后实施，隧道较长，工期影响较大，因此，施工工期的控制是本工程的又一重点。

2.5.2 应对措施

1）盾构始发前，重点加强盾构机及后配套设备维保、检修力度，为盾构施工有序、高效开展打下坚实基础。

2）合理优化盾构施工，科学组织，加强各工序之间衔接，提高工效。

3）重视盾构机始发掘进阶段施工，尽快摸清掘进数据，同时通过平行施工单位的施工经验及以往施工经验，合理设置施工参数，以确保工期。

2.6 管片拼装质量及隧道的渗漏水

2.6.1 重难点分析

盾构区间距离长，管片拼装工作直接影响施工的外观质量及隧道的渗漏水，管片在施工过程中经常发生错台、破碎及渗漏水等质量问题，因此，管片施工质量及隧道的渗漏水防治也是本工程的重点之一。

2.6.2 应对措施

加大管片的运输保护，包括管片由管片厂到达施工场地的运输，场地内的倒运，管片的下井，管片运送至盾构机内、盾构机内轨道梁和将管片吊装至喂片机上的所有过程。对吊装孔、管片表面、止水条和盾构机盾尾等部件进行清理。必须保证每环管片的第一片与上一环管片对位准确。

2.7 盾构区间“上软下硬”地质条件

2.7.1 重难点分析

在“上软下硬”地层中，盾构掘进缓慢，掘进方向易发生偏差，刀具磨损严重，施工风险较大，因此，如何处理“上软下硬”的地质条件给盾构区间带来的不利影响是本工程的难点之一。

2.7.2 应对措施

1）在“上软下硬”地层中掘进，最关键的是选择合适的刀盘转速。对于软岩部分，只需对掌子面进行切割即可破坏土层，而对于硬度较高的局部岩石，硬岩处刀盘的滚刀受力较大，局部硬岩对刀盘的损伤较大，应适当降低刀盘转速。

2）在软硬兼有的地质中，单纯按照硬岩方式掘进会造成超挖和地表沉降，掘进时应在全土压平衡模式下掘进。

3）为保护刀具，应根据实际情况参数值进行适当的调节，可降低刀盘扭矩，以减少刀具在连续工作时所受的冲击力。

4）在“上软下硬”地层中，土压的保持非常重要。由于软岩部分容易坍塌，而硬岩部分因硬度较高而不易切削，既要降低掘进速度来保护刀具，又要保持较高的土压，从而确保掌子面的稳定性。

2.8 联络通道的施工

2.8.1 重难点分析

联络通道处地质条件复杂，采用冷冻法进行联络通道施工时，预留的钢管片尺寸大，会使土体发生扰动，破坏主隧道的稳定，施工难度高、风险大，因此，如何做好土体加固，保持主隧道的稳定，确保联络通道施工安全是本工程又一施工重难点。

2.8.2 应对措施

1）冻结法加固土体。水平地层冻结加固和开挖构筑的施工顺序是施工准备、冻结孔施工、积极冻结、维护冻结和拆除冻结系统，其关键工序是冻结孔施工和冻结过程的监测与控制。为了确保施工安全，在打第一个冻结孔时，应对主要地层钻进过程的参数变化情况进行及时分析，对地质和水文情况进行检查和监测。

2）联络通道采用矿山法施工。重点是控制土体的稳定，确保注浆堵水加固质量，避免大的变形和沉降。施工采用台阶法开挖，保证掌子面稳定。采用人工开挖，台阶长度不宜过长，以3～5m进行控制。开挖后及时施做初期支护和临时支护，尽早封闭端面，控制周围地基的变形。待联络通道钢筋砼达到设计强度后，再拆除隧道内临时支撑点，拧紧特殊衬砌环内所有连接螺栓。

3 结论

杭州至富阳城际铁路SGHF-11标工程地质复杂，新建盾构隧道易影响既有隧道的安全。本文在阐述该区域工程特点的基础上，分析了盾构穿越过程中遇到的技术难点，提出了相应的处理措施，主要包括：

1）针对盾构进出洞时可能出现的水土流失和地面沉陷、盾构进洞姿态突变、盾构出洞段轴线偏离等问题，采取变水平注浆为竖向加固的施工工艺，形成两道环箍挡水，加固完成后检验加固效果，洞圈加焊盾尾刷，并嵌优质盾尾油脂，现场配备钢封门装置等方法，确保盾构进出洞的加固质量。

2）鉴于受-高区间线路长，穿越地质复杂，室内饱和单轴抗压强度高等问题，提出施工前编制开仓换刀专项施工方案，优化盾构刀具性能，提高刀具工效，减少刀具更换次数，合理设置盾构施工各推进参数，换刀作业严格按照施工流程操作，换刀完毕后按照刀具更换和刀盘修复表的要求对落实情况进行检查，确保无工具和其他杂物遗留在土仓内等措施。

3）考虑到盾构施工易对繁忙的地面交通、密布的地下管线、隧道围护桩的承载力等周边环境产生影响，提出施工前制定不良地质的预处理方案和穿越施工专项方案，盾构机到达前，对盾构机及后配套设备进行检修，保证设备性能良好，密切关注各推进参数，避免穿越时因刀具磨损停机，以及加强地面监测，建立完善的监测网等措施。

4）针对管片拼装过程中易发生的错台，破碎及渗漏水等问题，采取对管片进行全过程的运输保护，对管片和盾构机盾尾内进行清理，保证管片间的对位准确，按要求对螺栓进行三次复紧等措施。

5）针对高-汽区间两个联络通道的冷冻法施工问题，提出加强检测与控制冻结孔施工与冻结过程，对主要地层钻进过程的参数变化情况、水文地质情况等进行及时分析和监测，提高冻结施工质量标准，限制冻结孔向隧道内偏斜。

6）考虑到在“上软下硬”地层中盾构掘进缓慢，掘进方向易偏差，施工风险较大，采取在局部硬岩中适当降低刀盘转速，在软硬兼有的地质下以全土压平衡模式掘进，充分利用导向系统控制盾构机的掘进方向等措施。